基于偏心轮受迫振动的压电马达研究
本文关键词：基于偏心轮受迫振动的压电马达研究
更多相关文章： 压电马达 偏心轮转子 受迫振动 压电叠堆 位移放大机构 压电飞轮储能
【摘要】：压电马达是当前新型驱动器的研究热点,它在工业控制系统,汽车专用电器,办公自动化设备以及智能机器人等领域都有着十分广阔的应用前景。然而现有的压电马达主要依靠压电定子振动,通过摩擦传动驱动转子旋转或者直线运动,一般运动速度较低,还存在磨损严重,输出功率小,效率低等一系列问题。为了从根本上解决这些问题,探索新型原理的压电马达,彻底摆脱其对摩擦力的依赖,论文首次提出一种新型原理的压电马达：基于偏心轮受迫振动的压电马达,并完成了对其从理论设计、制造装配到实验研究和应用探讨的一系列工作。论文主要成果和创新点如下：首次提出了基于偏心轮受迫振动的压电马达。针对现有的压电马达存在的问题,为了使得压电马达在速度、功率和效率等方面都有所提高,从发明不依赖于摩擦力驱动的新型原理压电马达的角度思考,提出一种新型基于偏心轮受迫振动的压电马达。该压电马达使用轴承实现定子与转子之间的几何连接,利用压电叠堆的强迫振动的方式将压电振动能量馈入转子实现新型非摩擦力的驱动机理。为了使得压电叠堆的功率有效馈入偏心轮转子中,在设计中对偏心轮的不平衡量与压电换能器输出特性进行了合理的匹配,在实验中,对压电叠堆的驱动电压相位进行了优化。该新型压电马达的提出为压电马达特别是高速压电马达的研究和发展提供了新的思路。建立了基于偏心轮受迫振动的压电马达力学模型。根据运动的微分方程。分析计算转子质心和形心轨迹以及偏心轮转子在受迫振动中馈入的能量。根据馈入能量大小的求导运算,获得了压电叠堆驱动电压理论最佳初始相位φ0=π/2,在该最佳初始相位的电压驱动下,对轴承进行了受力分析,给出了该新型压电马达的微观工作机理,为该压电马达的实验提供了理论依据。设计和制作了所提出的基于偏心轮受迫振动的压电马达装置。探索了压电叠堆制作工艺,压电叠堆由26层厚度为0.7 mm的压电陶瓷片堆积而成。通过打磨,割缝,引线,极化以及表面绝缘处理等八个步骤的处理,获得了经济实用的压电叠堆。利用ANSYS有限元分析软件设计了与之匹配的位移放大机构,其位移放大比为4.62倍,静态下输出位移可达160μm。根据预期寿命,选择了6001氮化硅轴承作为实验轴承,将压电叠堆、位移放大机构以及轴承通过带有直角铰链的轴承座进行连接和装配形成了马达的定子。首次利用偏心轮作为压电马达的转子,并根据定子输出特性匹配设计了偏心轮转子的不平衡量。根据偏心轮转子工作状况对其进行了强度校核,提高了设计的可靠性。理论分析了六种不同偏心轮转子的工作速度范围,为实验研究提供了理论数据。最后选择和设计了马达的辅助装置,包括内耗较低的直流电磁电机及其支架,L形底座,霍尔传感器及其支架。通过对定子,转子及辅助装置进行合理装配形成了一整套压电马达的机电系统。实验研究了所制作的基于偏心轮受迫振动的压电马达输出性能。首先给出了马达的实验启动方案,获得了驱动电压实验最佳初始相位为φ0=πn/2,与理论分析结果一致。然后以偏心不平衡量较大的6#偏心轮为转子,对马达的输出特性进行了测试研究,获得了马达的空载输出速度特性,在压电叠堆的工作频率仅为152 Hz下,马达的输出速度高达9120 rpm,是目前存在的高速压电马达之一。同时,测试了该频率下压电马达的输出功率为8.45 W,平均效率为25.3%,实验结果表明该新型压电马达综合性能得到了提高。最后,测试了另外五种偏心轮转子的工作频率范围,实验结果显示,随着偏心轮转子不平衡量(m-r)的降低,马达的启动频率和截止频率都逐渐增加,实验结果与理论计算一致。对于偏心轮最小的1#偏心轮而言,实验测试获得速度高达15000 rpm,这是目前文献可见的压电马达最高速度。该压电马达原理新颖,结构简单,具有很大的发展潜力。探讨了该新型基于偏心轮受迫振动的压电马达未来的应用前景。首次提出了压电飞轮储能概念,提出利用压电陶瓷的逆压电效应实现能量馈入转子,利用压电陶瓷的正压电效应实现飞轮动能向电能的转化,从而实现能量储存和利用的功能,压电飞轮储能理论上可达到相比于电磁飞轮储能更高的速度,因此可提高飞轮储能容量。除此之外,该新型压电马达技术还可应用于离心分离,宽频激振以及压电泵中的应用等等。
【关键词】：压电马达 偏心轮转子 受迫振动 压电叠堆 位移放大机构 压电飞轮储能
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH703
【目录】：
- 摘要5-7
- Abstract7-18
- 第一章 绪论18-38
- 1.1 引言18-19
- 1.2 压电马达的分类及其发展历程19-32
- 1.2.1 压电马达的分类19
- 1.2.2 超声电机及其发展历程19-25
- 1.2.3 压电尺蠖马达及其发展历程25-28
- 1.2.4 压电惯性马达及其发展历程28-31
- 1.2.5 其他新型压电马达的出现与发展31-32
- 1.3 压电马达的应用32-35
- 1.3.1 生物工程和医学工程中的应用32-33
- 1.3.2 精密定位系统中的应用33-34
- 1.3.3 航空航天、空间技术和军事领域中的应用34
- 1.3.4 民用商品中的应用34-35
- 1.4 本论文研究目的及创新点35
- 1.5 本论文的主要内容与结构安排35-38
- 第二章 压电驱动理论基础及其输出匹配38-54
- 2.1 引言38-40
- 2.2 压电叠堆及其输出特性40-44
- 2.3 压电叠堆的输出功率44-47
- 2.4 基于位移放大机构的压电叠堆输出阻抗匹配47-51
- 2.4.1 菱形位移放大机构输出性能49-50
- 2.4.2 菱形位移放大机构与压电叠堆的装配50-51
- 2.5 本章小结51-54
- 第三章 基于偏心轮受迫振动的压电马达工作原理54-74
- 3.1 引言54-56
- 3.2 基于偏心轮受迫振动的压电马达模型建立56-61
- 3.2.1 基于偏心轮受迫振动的压电马达雏形56
- 3.2.2 基于偏心轮受迫振动的压电马达基本结构56-58
- 3.2.3 受迫振动的一维力学模型58-60
- 3.2.4 基于偏心轮受迫振动的压电马达的二维力学模型60-61
- 3.3 基于偏心轮受迫振动的压电马达动力学分析61-71
- 3.3.1 压电陶瓷激励下定子运动轨迹分析62-63
- 3.3.2 压电驱动振动中的能量关系63-66
- 3.3.3 最佳驱动方案66-69
- 3.3.4 最佳驱动方案下定子与转子相互作用力学分析69-71
- 3.4 本章小结71-74
- 第四章 基于偏心轮受迫振动的压电马达设计与制造74-100
- 4.1 引言74
- 4.2 定子的设计与制造74-85
- 4.2.1 压电叠堆制作75-77
- 4.2.2 位移放大机构的设计77-82
- 4.2.3 轴承座及连接铰链机构的设计82-84
- 4.2.4 轴承的选择及其寿命计算84-85
- 4.3 转子的设计85-91
- 4.3.1 转子结构设计86-87
- 4.3.2 转子不平衡量与转速匹配设计87-89
- 4.3.3 偏心轮仿真,强度校核89-91
- 4.4 辅助装置选择与设计91-96
- 4.4.1 启动电机及其空载特性91-93
- 4.4.2 霍尔传感器及其反馈电路93-95
- 4.4.3 底座及其它设计95-96
- 4.5 制造与装配96-97
- 4.6 本章小结97-100
- 第五章 基于偏心轮受迫振动的压电马达实验研究与应用探索100-112
- 5.1 启动方案100-102
- 5.2 马达的性能测试102-109
- 5.2.1 定子的动态特性102-103
- 5.2.2 马达空载速度特性103-104
- 5.2.3 马达输出功率和效率特性104-108
- 5.2.4 六种偏心转子的启动频率与截止频率108-109
- 5.3 基于偏心轮受迫振动的压电马达应用探索109-111
- 5.3.1 飞轮储能系统中的应用109-110
- 5.3.2 离心分离中的应用110-111
- 5.4 本章小结111-112
- 第六章 总结与展望112-116
- 6.1 工作总结112-113
- 6.2 研究展望113-116
- 参考文献116-124
- 致谢124-126
- 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果126-127
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